國內(nèi)外行星表面巡視器自主導(dǎo)航技術(shù)研究

解楊敏，季 力，魏祥泉，陳 萌，鄒懷武

（1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海市機(jī)械自動(dòng)化及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；2.上海宇航工程系統(tǒng)研究所，上海 201109；3.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108）

0 引言

深空探測作為航天技術(shù)發(fā)展的前沿和趨勢，是人類歷史上最為復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一。如圖1 所示，在2013 年，隨著嫦娥三號著陸器和玉兔號巡視器在月球表面的成功著陸和作業(yè)，完成了對月球進(jìn)行土壤成分研究、化學(xué)元素測量、空間環(huán)境感知的科學(xué)任務(wù)，中國跨出了外星球表面勘探的第一步，成為第三個(gè)在月球上實(shí)現(xiàn)軟著陸的國家［1］。

圖1 玉兔號月球巡視器［1］Fig.1 Yutu lunar patrol［1］

與此同時(shí)，世界各科技強(qiáng)國也紛紛展開各自的深空探測計(jì)劃。歐洲空間局與俄羅斯開展合作，計(jì)劃于2020 年前實(shí)現(xiàn)火星著陸巡視［2-3］。日本發(fā)展的重點(diǎn)是實(shí)施多類型小行星的取樣返回任務(wù)，以保持在小行星探測領(lǐng)域的優(yōu)勢地位［3］。印度計(jì)劃2020年前實(shí)施月球著陸巡視探測和第二次火星探測［2］。美國則計(jì)劃于2020 年再次發(fā)射火星著陸器（如圖2所示），為2030 年的載人探火計(jì)劃做準(zhǔn)備［4］，并同時(shí)啟動(dòng)了重返月球計(jì)劃［5］。中國在近期和中期計(jì)劃中將分別對月球和火星進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)“繞、落、回”和“繞、落、巡”工程目標(biāo)［6-7］。2018 年12 月，嫦娥四號以軟著陸方式登陸月球背面，將利用地月拉格朗日2 點(diǎn)中繼衛(wèi)星首次對月球背面進(jìn)行巡視探測，實(shí)現(xiàn)采樣返回任務(wù)，并將以5 年、10 年為期開展利用巡視器進(jìn)行的月球南北極探測［6］。由此可見，在未來10 年的航天科技競爭中，地外星球的著陸探測作業(yè)將是深空探測的主要任務(wù)之一。

星球巡視器是在星球表面移動(dòng)作業(yè)的無人探測系統(tǒng)，能夠?qū)π乔虮砻孢M(jìn)行大面積、近距離和接觸式的考察，是地外星球著陸探測作業(yè)的主要手段［8］。因宇宙空間具有微重力、高真空、強(qiáng)輻射、劇烈變化的溫度和亮度等特點(diǎn)，無論在前期空間探測還是后期開發(fā)利用階段都需要依賴巡視器完成人類難以或無法勝任的任務(wù)，而其完成各項(xiàng)任務(wù)的自主程度則成為衡量巡視器工作性能的重要指標(biāo)［9］。然而，迄今為止所有在星球作業(yè)的星球巡視器都或多或少地依賴于人工決策，自主導(dǎo)航能力不足成為制約其漫游能力的主要原因［10］。

圖2 美國NASA 2020 年火星表面巡視器示意圖［4］Fig.2 US NASA 2020 Mars Rover schematic［4］

我國對新一代星球巡視器性能指標(biāo)要求進(jìn)一步提高，對構(gòu)建自主、精準(zhǔn)、自適應(yīng)的智能導(dǎo)航系統(tǒng)的需求更為迫切，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）通信延時(shí)的影響。玉兔號與地球指揮中心的通信時(shí)間約為1 s，可以滿足“信息回傳—地面指揮中心處理決策—發(fā)送遙控指令”的遙操作序列時(shí)間要求。然而，即將進(jìn)行的月球背面探測需要通過中繼星進(jìn)行與地面的通信，且將出現(xiàn)部分時(shí)間段通信中斷的情況；而火星距離遙遠(yuǎn)，信號往返需要20 min 左右［11］，因此，在將來的探月和探火計(jì)劃中過于依賴遙控技術(shù)對巡視器進(jìn)行指揮操作是不現(xiàn)實(shí)的。地面站只能向太空發(fā)送對星球巡視器的宏觀和全局行動(dòng)指令，而微觀和局部的行動(dòng)則需要通過其感知和導(dǎo)航系統(tǒng)來進(jìn)行自主規(guī)劃［9］。

2）長距離探測的任務(wù)需求。玉兔號的設(shè)計(jì)速度為200 m/h，最終活動(dòng)在著陸器的20 m 范圍以內(nèi)，其整個(gè)活動(dòng)場景和軌跡都可以被著陸器監(jiān)測到。然而，下一代巡視器將遠(yuǎn)離著陸器進(jìn)行工作，如美國對未來巡視器的設(shè)計(jì)要求為每天行走超過1 km［12］，且要求其進(jìn)行在著陸器幾百公里外的探測活動(dòng)［10，13］。在這樣的長距離探測任務(wù)中，巡視器在大部分時(shí)間將脫離著陸器的監(jiān)測范圍，它必須具有對環(huán)境進(jìn)行精確感知、自我定位并進(jìn)行地形自適應(yīng)的自主導(dǎo)航能力，以確保移動(dòng)過程的高效和安全［12，14］。

3）取樣返回的任務(wù)需求。美國NASA、歐洲航天局、中國航天局都在未來計(jì)劃中要求巡視器能夠從工作點(diǎn)進(jìn)行采樣返回［15］，這對巡視器的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是其全局定位能力提出了更高的要求。與現(xiàn)有的局部定位技術(shù)不同，巡視器必須能夠在來回途中減少與著陸器相對位置的定位累積誤差，根據(jù)全局地圖及定位制定返回著陸器的路線，實(shí)現(xiàn)自主回航［16］。

綜上所述，實(shí)時(shí)定位與環(huán)境建模、全局定位信息獲取和地形自適應(yīng)路徑規(guī)劃決策，是星球巡視器在弱通信條件下完成長距離、高效率探測作業(yè)和取樣返回任務(wù)的必備關(guān)鍵技術(shù)。融合上述3 項(xiàng)功能的自主導(dǎo)航系統(tǒng)是保障巡視器移動(dòng)過程的行駛安全、擴(kuò)展其巡視探測范圍、增強(qiáng)其對未知環(huán)境適應(yīng)性、確保采樣回歸任務(wù)成功的前提，對我國深空探測任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有極其重要的意義。

1 星球巡視器自主導(dǎo)航技術(shù)概述

無人駕駛系統(tǒng)的一般功能結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

圖3 巡視器無人駕駛系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function structure diagram of patrol unmanned system

總體來說，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)無人系統(tǒng)的自主駕駛功能，需要對實(shí)時(shí)定位及地圖建模（Simultaneous Lo?calization and Mapping，SLAM）、全局定位、路徑規(guī)劃和軌跡追蹤控制各子系統(tǒng)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，統(tǒng)稱為導(dǎo)航控制技術(shù)（Guidance，Navigation，and Control Techniques，GN＆C）。其中，軌跡追蹤控制方案與巡視器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式高度相關(guān)，具有極大的系統(tǒng)特異性且技術(shù)相對成熟［10］。

實(shí)時(shí)定位及地圖建模模塊在不依賴于外界標(biāo)定參考物的情況下，使用巡視器自身的傳感器系統(tǒng)，通過運(yùn)動(dòng)過程前后時(shí)刻的感知差異推測相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對航跡和地圖的構(gòu)建，提供實(shí)時(shí)的巡視器定位信息。

全局定位校正間斷性地引入絕對空間中的外界參考，與實(shí)時(shí)構(gòu)建的地圖信息進(jìn)行配準(zhǔn)對標(biāo)，消除長距離的工作中不可避免的定位漂移，校正航跡誤差，實(shí)現(xiàn)對巡視器在絕對空間的定位。

路徑規(guī)劃技術(shù)則根據(jù)環(huán)境感知及定位信息，在綜合考慮路徑的可通過性、避障要求以及路徑長度要求下，制定相關(guān)策略計(jì)算巡視器的前進(jìn)路線，保障其行駛安全。由于外星球地形地貌復(fù)雜且不可預(yù)知，巡視器的路徑規(guī)劃算法需要對復(fù)雜地形具有自適應(yīng)性，并能夠滿足相對于巡視器的行駛速度來講的實(shí)時(shí)計(jì)算要求。

值得說明的是，并非所有成熟的地面?zhèn)鞲卸ㄎ患夹g(shù)都能用于星球巡視器自主導(dǎo)航［9］。舉例來說，多數(shù)星球不具有地球一樣特殊的大氣環(huán)境，磁場強(qiáng)度也不穩(wěn)定，因此，基于空氣介質(zhì)的測量技術(shù)（如超聲波傳感器等）和利用磁場的測量儀器均無法應(yīng)用于月球等星球環(huán)境；此外，在外星球上無法在預(yù)先安裝基站時(shí)對基站精確定位和定向，所以基于定向測距原理（如激光測距等）的定位方法實(shí)用性較差；由于距離遙遠(yuǎn)，地球GPS 定位系統(tǒng)也無法為星球探測車提供導(dǎo)航服務(wù)。迄今為止，在文獻(xiàn)中記載可用于星球巡視器的車載傳感器種類及功能分類如圖4 所示［17-20］，通過使用不同的傳感器組合可以進(jìn)行位置及姿態(tài)的估測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)航跡推算及地圖建模的功能。

2 國內(nèi)外巡視器導(dǎo)航技術(shù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀

圖4 星球巡視器定位及地圖建模傳感器Fig.4 Planetary patrol positioning and map modeling sensors

在星球巡視器技術(shù)研發(fā)應(yīng)用中，美國無疑處在遙遙領(lǐng)先的位置。從1971 年到2012 年，美國已經(jīng)向火星成功發(fā)射多臺著陸器和4 臺巡視器，其著陸點(diǎn)分布如圖5 所示，4 臺巡視器的外觀對比如圖6 所示。

圖5 美國火星著陸器及巡視器全球位置示意圖［21］Fig.5 Schematic diagram of the global location of the US Mars lander and patrol［21］

圖6 美國發(fā)射的火星巡視器Fig.6 Mars patrol launched by the United States

1997 年著陸的旅行者號（Sojourner）作為第一輛成功在火星行走的巡視器，活動(dòng)在著陸器的10 m×10 m 的范圍內(nèi)。旅行者號依賴于探路者號著陸器和地面指揮中心進(jìn)行星際導(dǎo)航。利用其搭載的導(dǎo)航相機(jī)及著陸器相機(jī)，指揮中心人工計(jì)算出一條能夠避障避險(xiǎn)的安全軌跡，每次規(guī)劃1～2 m 的前進(jìn)距離回傳給旅行者號。旅行者號則根據(jù)規(guī)劃軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，到達(dá)局域目標(biāo)點(diǎn)后停止行動(dòng)并使用輪式里程計(jì)和陀螺儀進(jìn)行航跡推算及自定位［22］。其航跡測算誤差約為行進(jìn)距離的10%。

相對于行動(dòng)效率低下、自主能力差的旅行者號，2004 年著陸的勇氣號和機(jī)遇號在自主導(dǎo)航技術(shù)上有了劃時(shí)代的進(jìn)步。它們利用慣性單元和輪式里程計(jì)估算位姿，同時(shí)加入太陽定位技術(shù)提高姿態(tài)估計(jì)準(zhǔn)確度。更為重要的是引入了多對立體視覺里程計(jì)，通過前后幀圖像中的特征點(diǎn)（石塊頂端）檢測與其分布模式匹配，利用光束平差法（Visual Odometry?Bundle Adjustment，VO-BA）計(jì)算兩個(gè)鄰攝像點(diǎn)的位姿關(guān)系，大大減少了崎嶇路段輪式里程計(jì)由于滑移產(chǎn)生的定位誤差［23］（如圖7 所示，橫坐標(biāo)為行進(jìn)距離，縱坐標(biāo)為定位誤差，橙色部分表示光束平差法所引進(jìn)的誤差，紫色部分表示非光束平差法所引進(jìn)的誤差）。同時(shí)立體視覺能夠自動(dòng)檢測定位危險(xiǎn)區(qū)域特征，生成三維地形圖，通過石塊或者臺階的高度及密度、地形的傾斜度及平整度標(biāo)記可通過區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)，在所有可行弧線路徑中選擇最短最安全的路徑進(jìn)行自主避障（如圖8 所示，綠色部分表示可通過區(qū)，紅色部分表示危險(xiǎn)區(qū)）［24］。在勇氣號和機(jī)遇號的行動(dòng)過程中，全自主導(dǎo)航已經(jīng)被應(yīng)用于部分路段（如圖9 所示，綠色線段表示全自動(dòng)導(dǎo)航的路段），這表明其定位精度和避障可靠性大大增強(qiáng)，使得它們在火星上的行走里程達(dá)到了約8 km 與20 km，并能在地形復(fù)雜崎嶇的山區(qū)環(huán)境行動(dòng)（如圖9 所示，機(jī)遇號在Sol 304 進(jìn)行的24°爬坡運(yùn)動(dòng)）。然而由于參數(shù)設(shè)定不合理或陰影處理不當(dāng)，機(jī)遇號在Sol 137、141 和235 分別出現(xiàn)了幾次定位錯(cuò)誤［25］，且在圖像特征不豐富地區(qū)，仍然需要大量依賴人工導(dǎo)航。

圖7 勇氣號和機(jī)遇號視覺里程計(jì)與輪式里程計(jì)精度對比［25］Fig.7 Accuracy comparison between the visual odometer and the wheel odometer for the Courage and Opportunity［25］

圖8 勇氣號和機(jī)遇號自主避障策略與路徑規(guī)劃示意圖［24］Fig.8 Schematic diagram of autonomous obstacle avoidance strategy and path planning for the Courage and Opportunity［24］

2012 年著陸的好奇者號采用了核動(dòng)力技術(shù)，其自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)原理基本與勇氣號與機(jī)遇號一致，利用了立體導(dǎo)航相機(jī)與立體避障相機(jī)的組合進(jìn)行自定位與避障，達(dá)到了相對快的行駛速度（人工導(dǎo)航模式下140 m/h、自主避障模式下45 m/h、全自主導(dǎo)航模式下20 m/h），但仍不能全程脫離人工導(dǎo)航進(jìn)行自主行動(dòng)［26］。為了更好地用于地形三維建模及導(dǎo)航，好奇號裝載了彩色全景攝像機(jī)以獲得圖像等信息，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）地面中心的科學(xué)家可以通過這些信息發(fā)掘科學(xué)探測目標(biāo)，完成好奇號的火星探索任務(wù)。美國“火星2020”計(jì)劃中，NASA 設(shè)計(jì)的新一代火星車，在好奇號的硬件基礎(chǔ)上，加裝了測地雷達(dá)、X 射線光譜儀、紫外線激光器等傳感器，新一代火星車的視覺系統(tǒng)載有多達(dá)23 個(gè)相機(jī)，在全自主導(dǎo)航模式下，預(yù)計(jì)行駛速度可達(dá)42 m/h，40 d 即可趕超機(jī)遇號14 a 的行駛記錄。由此看來，利用多類傳感器信息融合，實(shí)現(xiàn)星球巡視器的環(huán)境感知和自主導(dǎo)航，從而提高系統(tǒng)可靠性是巡視器自主作業(yè)能力提升的關(guān)鍵和發(fā)展方向。

圖9 勇氣號和機(jī)遇號全自主導(dǎo)航示意圖［25］Fig.9 Schematic diagram of fully autonomous navigation for the Courage and Opportunity［25］

2013 年著陸的中國玉兔號月球巡視器采用了地面遙操作的方式進(jìn)行導(dǎo)航定位、月面地形重構(gòu)和行駛路徑規(guī)劃。玉兔號配備的相機(jī)可供地面指揮中心進(jìn)行視覺定位并進(jìn)行月面三維地形建模，并基于此信息進(jìn)行人工軌跡規(guī)劃，完成導(dǎo)航避障策略。其總行進(jìn)距離小于20 m［1］，導(dǎo)航定位技術(shù)水平基本與旅行者號一致。2019 年著陸的嫦娥四號所攜帶的巡視器在其自主巡視技術(shù)和能力上與一代玉兔相似，采用的仍是短距及人工參與的巡航技術(shù)。

近10 年實(shí)現(xiàn)星球巡視車在外星環(huán)境成功工程應(yīng)用的國家只有美國和中國。在實(shí)時(shí)定位及地圖建模方面，美國研發(fā)了基于立體視覺的航跡推算和地圖信息獲取技術(shù)，在路徑規(guī)劃方面實(shí)現(xiàn)了基于地形信息的避障避險(xiǎn)算法，兩者綜合的全自主導(dǎo)航技術(shù)在部分火星區(qū)域成功應(yīng)用。但因缺少全局定位算法只能小范圍使用且不能完成采樣取回任務(wù)，而已有算法也存在著可靠性不足、受環(huán)境參數(shù)影響大、效率低的問題，因此，只能部分地替代人工導(dǎo)航技術(shù)，自主性和地形適應(yīng)性不足成為制約巡視器的行走速度與探測距離的瓶頸。而中國的自主導(dǎo)航技術(shù)與美國還存在著十幾年的差距，其應(yīng)用現(xiàn)狀不能滿足國家提出的深空探測戰(zhàn)略發(fā)展需求。

3 國內(nèi)外巡視器導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對應(yīng)用現(xiàn)狀的不足，各國研究者們在近年來將新技術(shù)新算法引入星球巡視器自主導(dǎo)航技術(shù)的研發(fā)。在下面的內(nèi)容中，將按照圖3 中的技術(shù)構(gòu)架對近年星球巡視器自主導(dǎo)航技術(shù)研究作逐一梳理。

3.1 實(shí)時(shí)定位與地圖建模

實(shí)時(shí)定位與地圖建模技術(shù)要求系統(tǒng)根據(jù)多種車載傳感器（如圖4 所示）的測量對巡視器的位姿進(jìn)行測算并實(shí)時(shí)更新地圖信息。這一方向在實(shí)際星球巡視中的技術(shù)應(yīng)用最為成熟。國內(nèi)外相對于實(shí)際工程技術(shù)有特異性的研究成果代表，按照傳感器技術(shù)使用發(fā)展脈絡(luò)的總結(jié)見表1。

輪式里程計(jì)精度受運(yùn)動(dòng)滑移影響較大，以及慣性單元存在大的零點(diǎn)漂移誤差不能單獨(dú)用于長時(shí)定位，因此，需要配合其他測量手段進(jìn)行可靠定位。代表性的方法如文獻(xiàn)［20］中給出的將慣導(dǎo)與星敏深度融合算法，將誤差測量漂移控制在20 m 以內(nèi)。

視覺里程計(jì)已經(jīng)被證明能夠提供更加準(zhǔn)確的相對位姿估算，同時(shí)也能提供稀疏的地圖信息［17］。但相對來說其匹配算法存在魯棒性不強(qiáng)的難題［27-28］。文獻(xiàn)［29-30］分別從特征點(diǎn)權(quán)值調(diào)整和利用結(jié)構(gòu)特征對象出發(fā)減小遠(yuǎn)像點(diǎn)誤差及攝角誤差，但還未見能夠減小多變光源和環(huán)境對視覺傳感精度影響的通用技術(shù)。

激光三維掃描特點(diǎn)是可以快速獲取大量高精度地形測量點(diǎn)，被引入到巡視器的地圖建模及匹配融合中。文獻(xiàn)［18］提出了加入曲率和法向量構(gòu)成的7 維迭代臨近點(diǎn)（Iterative Closest Point，ICP）匹配算法，能夠解決部分重合數(shù)據(jù)匹配問題。文獻(xiàn)［19］利用尖點(diǎn)特征檢測加特征稀疏及稠密DARC?ES 法［31］（Data Aligned Rigidity-Constrained Exhaus?tive Search）雙重匹配的方法，得到很高的里程計(jì)和地圖精度（見表1），但其結(jié)果都依賴于特定地形特征且計(jì)算量大。

表1 巡視器SLAM 算法相關(guān)代表文獻(xiàn)Tab.1 Patrol SLAM algorithm related representative literatures

總的來說，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，國外的SLAM技術(shù)相關(guān)研究趨勢為應(yīng)用多傳感器融合技術(shù)提高定位和地圖建模的精度和可靠性，其技術(shù)相對成熟，但因各類傳感器在不同工作條件下精度差異較大，算法通常對適用的環(huán)境有要求，還未能解決在多種非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境下的多傳感精確融合問題。而國內(nèi)的研究仍大量局限于視覺領(lǐng)域，且更多局限于定位技術(shù)的討論，還不能證明其在長程連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中能夠形成準(zhǔn)確的航跡及地圖信息。然而，大量的視覺里程計(jì)相關(guān)研究表明其在未來的局部定位系統(tǒng)中將發(fā)揮越來越重要的作用。文獻(xiàn)［45］表明，在美國的下一代ExoMars 火星車系統(tǒng)中，視覺里程計(jì)導(dǎo)航將取代輪式里程計(jì)成為主要定位技術(shù)手段。

3.2 全局定位

全局定位需要依靠外界參照物信息與巡視器本體測量進(jìn)行匹配，從而在全局坐標(biāo)系定位當(dāng)前位置，校正航跡。

由于巡視器全局定位能夠控制長距離航跡推算漂移誤差，作為返回式作業(yè)的使能技術(shù)在近年來得到了學(xué)界的關(guān)注。巡視器全局定位算法相關(guān)代表文獻(xiàn)見表2。

文獻(xiàn)［32］提出的天際線匹配方法VIPER（Virtual Intelligent Planetary Exploration Rover）是早期在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證的星球車全局定位方案。其原理為將視覺圖像的天際線特征與在全局地形DEM（Digital Elevation Map）提取的天際線形狀進(jìn)行貝葉斯最大似然估計(jì)匹配，確定全局地圖與巡視器相對位姿關(guān)系。雖然其使用的原始數(shù)據(jù)分辨率較差，導(dǎo)致原文中定位誤差相對較大，但因其經(jīng)過大量地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在許多后繼文獻(xiàn)中被用來作為對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

另外，一種經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法則是利用LiDAR（Light Detection and Ranging）掃描生成局域地圖地形特征，并利用地形特征進(jìn)行匹配，相關(guān)工作見文獻(xiàn)［10，16］。不同的是，文獻(xiàn)［10］的匹配特征為自動(dòng)檢測的地形尖點(diǎn)，而文獻(xiàn)［16］的特征為手動(dòng)選取，兩者都經(jīng)過了大量的戶外移動(dòng)平臺動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，并取得了可以相比擬的全局定位精度。兩者都與VIPER 方法進(jìn)行了對比，得出了相同的結(jié)論，即在不同的地形條件下基于LiDAR 地形和天際線匹配的方法各有優(yōu)勢。然而，由于局域地形探測的視覺和激光傳感器在遇到近距離障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重遮擋，故而在某些遮擋嚴(yán)重的地形，如峽谷地形工作時(shí)匹配效果不佳。同時(shí)，如果地形缺乏相應(yīng)特征，也會(huì)影響匹配的魯棒性和準(zhǔn)確度。

在全局匹配方面還有一些值得關(guān)注的前瞻性和研究性工作。如文獻(xiàn)［33］利用了視覺特征點(diǎn)，通過粒子濾波優(yōu)化算法與LiDAR 地圖進(jìn)行稠密點(diǎn)匹配，達(dá)到了像素級匹配精度。文獻(xiàn)［13，34］利用立體視覺與HiRISE（High Resolution Imaging Science Experiment）系統(tǒng)地圖進(jìn)行物理特征或圖像特征匹配，在現(xiàn)有的火星數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)得到了亞相素級的精度。文獻(xiàn)［48］利用立體視覺與HiRISE系統(tǒng)地圖進(jìn)行基于灰度、紋理等多特征向量的興趣區(qū)提取，并利用DARCES 窮舉搜索算法進(jìn)行興趣區(qū)星座分布的模式匹配進(jìn)行定位，其在類火星地面實(shí)驗(yàn)圖像上取得了3 km 距離最大定位誤差小于50 m的定位精度。文獻(xiàn)［35］利用兩組立體視覺進(jìn)行最高值點(diǎn)匹配，在試驗(yàn)場地靜態(tài)圖形測量定位精度達(dá)到2 m。這些文獻(xiàn)提出的方法因還未在移動(dòng)平臺及多類地形上進(jìn)行動(dòng)態(tài)過程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其可靠性、準(zhǔn)確性和對抗環(huán)境干擾的魯棒性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

表2 巡視器全局定位算法相關(guān)代表文獻(xiàn)Tab.2 Patrol global positioning algorithm related representative literatures

3.3 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃的主要任務(wù)是根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，依賴當(dāng)前定位及地圖信息對巡視器在地形上行駛的安全性進(jìn)行評估，并通過優(yōu)化方法得到滿足避障、防傾倒、路徑短的能夠到達(dá)目標(biāo)位置的安全行駛路線。因此，路徑規(guī)劃技術(shù)的核心要素有兩個(gè)：一為如何設(shè)計(jì)行駛安全性的評估函數(shù)從而得到可通過性評價(jià)地圖；二為如何根據(jù)可通過性評估結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃和優(yōu)化。

在可通過性研究方面，因?yàn)樾乔虮砻鏋榄h(huán)境復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化地形，用于傳統(tǒng)室內(nèi)避障的二維地圖不足以支持可通過性分析要求，因此常使用規(guī)則或不規(guī)則網(wǎng)格的高程地形圖。在早期的研究中，對可通過性的評價(jià)基本基于對地形本身危險(xiǎn)要素在待選路徑上的分布評價(jià)［37-38］，而后期逐漸引入了車體與地形交互的姿態(tài)分析［14，12，40］，從而使 行駛安全性的評估更加準(zhǔn)確，然而由于其柵格密度大，計(jì)算效率低。為此，文獻(xiàn)［39］提出用規(guī)則網(wǎng)格構(gòu)建可通過性數(shù)據(jù)圖，用地形云點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算車位姿數(shù)據(jù)從而量化可通過性的方法。其優(yōu)勢在于兼顧了規(guī)則柵格數(shù)據(jù)處理量小而云點(diǎn)數(shù)據(jù)信息量大的特點(diǎn)?？上У氖谴朔N可通過性分析方法未能用于路徑規(guī)劃，因而沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)用性及可行性。

在路徑規(guī)劃算法方面，用做巡視器路徑規(guī)劃的數(shù)學(xué)方法與一般的路徑規(guī)劃幾乎相同，可通過性作為一項(xiàng)權(quán)值加入路徑優(yōu)化計(jì)算中，從而得到行駛安全性與路徑效率兼顧的優(yōu)化結(jié)果。如表3 所示，文獻(xiàn)［37-38］通過用于火星車的Morphin 算法（也稱作GESTALT 系統(tǒng)［41］）在備選曲線中做出選擇，路徑規(guī)劃常見的各類圖形搜索算法［12，14，37，42-43］也被用于巡視器路徑規(guī)劃中。

表3 巡視器路徑規(guī)劃算法相關(guān)代表文獻(xiàn)Tab.3 Patrol path planning algorithm related representative literatures

4 結(jié)束語

由以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可知，巡視器的自主導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上深空探測工程發(fā)展的需求［47］。同時(shí)雖然各國學(xué)者在巡視器自主導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的各方面都進(jìn)行了長期的研究，但總的來說還不夠全面和成熟［44］，我國的相關(guān)研究尤為落后?？偨Y(jié)來說，對以下幾個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究突破的需求十分迫切：

1）具有環(huán)境和工況自適應(yīng)性的多傳感器融合定位。多種傳感器的聯(lián)合使用能夠使定位的準(zhǔn)確度得以提高，然而現(xiàn)有的算法對融合定位策略應(yīng)用的環(huán)境條件依賴性強(qiáng)，不能在多種工作情況下保證融合定位精度。研發(fā)一種能夠適應(yīng)各種典型外星地形環(huán)境的傳感器融合策略，能夠使巡視器在變化的工況下進(jìn)行準(zhǔn)確自定位，從而保障其在多種復(fù)雜環(huán)境的自主安全作業(yè)。

2）基于非完備局域地圖的可適應(yīng)多地形環(huán)境的全局定位。由于巡視器的局域地圖不可避免的非完備性和典型地貌特征差異性，基于全局地圖進(jìn)行特征匹配的全局定位算法在各地形條件下的性能差異巨大，從而有可能帶來大的全局定位偏差。因此，對現(xiàn)有的特征匹配算法進(jìn)行改進(jìn)，從而使其能夠在信息部分缺失情況下適應(yīng)各種典型外星地形環(huán)境，是保障其遠(yuǎn)距離作業(yè)及采樣取回任務(wù)成功的關(guān)鍵。

3）實(shí)時(shí)安全的路徑規(guī)劃算法。路徑規(guī)劃的安全性評估包含了避障可靠性及行駛穩(wěn)定性，因此，必須考慮車體與多變地形的交互位姿關(guān)系并量化其可通過性。然而，現(xiàn)有的考慮交互關(guān)系的評價(jià)方法計(jì)算復(fù)雜且不能滿足路徑規(guī)劃的實(shí)時(shí)性要求，因此，需要加以改進(jìn)以解決路徑規(guī)劃計(jì)算實(shí)時(shí)性與可靠性之間的矛盾。

針對現(xiàn)有星球巡視器面臨的諸多挑戰(zhàn)，開展巡視器多傳感器融合定位、可適應(yīng)多地形環(huán)境的全局定位、實(shí)時(shí)安全的路徑規(guī)劃算法等領(lǐng)域的創(chuàng)新研究，提升巡視器的智能化、自主化程度，可為我國未來的星球巡視器深空探測提供有價(jià)值的參考方案和開放的學(xué)術(shù)思路。